JILA-forskare har gjort en långlivad, rekordkall gas av molekyler som följer kvantmekanikens vågmönster istället för vanlig klassisk fysiks strikt partikelnatur. Skapandet av denna gas ökar oddsen för framsteg inom områden som designerkemi och kvantberäkning.

Som visas på omslaget till numret av 22 februari av Vetenskap , laget producerade en gas av kalium-rubidium (KRb) molekyler vid temperaturer så låga som 50 nanokelvin (nK). Det är 50 miljarddelar av en Kelvin, eller bara en smula över absoluta noll, den lägsta teoretiskt möjliga temperaturen. Molekylerna är i lägsta möjliga energitillstånd, utgör vad som kallas en degenererad Fermi-gas.

I en kvantgas, alla molekylernas egenskaper är begränsade till specifika värden, eller kvantifierad, som stegpinnar på en stege eller toner på en musikalisk skala. Att kyla gasen till de lägsta temperaturerna ger forskarna maximal kontroll över molekylerna. De två inblandade atomerna är i olika klasser:Kalium är en fermion (med ett udda antal subatomära komponenter som kallas protoner och neutroner) och rubidium är en boson (med ett jämnt antal subatomära komponenter). De resulterande molekylerna har en Fermi-karaktär.

JILA drivs gemensamt av National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado Boulder. NIST-forskare vid JILA har arbetat i flera år för att förstå och kontrollera ultrakalla molekyler, som är mer komplexa än atomer eftersom de inte bara har många inre energinivåer utan också roterar och vibrerar. JILA-teamet gjorde sin första molekylära gas för 10 år sedan.

"De grundläggande teknikerna för att tillverka gasen är desamma som vi har använt tidigare, men vi har några nya knep som att avsevärt förbättra kylningen av atomerna, skapa fler av dem i det lägsta energitillståndet, " NIST/JILA Fellow Jun Ye sa. "Detta resulterar i en högre omvandlingseffektivitet så att vi får fler molekyler."

JILA-teamet producerade 100, 000 molekyler vid 250 nK och så många som 25, 000 molekyler vid 50 nK.

Före nu, de kallaste tvåatomsmolekylerna producerades i maximalt antal av tiotusentals och vid temperaturer som inte var lägre än några hundra nanokelvin. JILAs senaste gastemperaturrekord är mycket lägre än (ungefär en tredjedel av) nivån där kvanteffekter börjar ta över från klassiska effekter, och molekylerna varar i några sekunder – anmärkningsvärd livslängd, sa du.

Den nya gasen är den första som blir tillräckligt kall och tät för att materiavågorna för dessa molekyler ska vara längre än avstånden mellan dem, få dem att överlappa varandra för att skapa en ny enhet. Forskare kallar detta kvantdegeneration. (Kvantmateria kan bete sig som antingen partiklar eller materiavågor, det är, vågformsmönster för sannolikheten för en partikels placering).

Kvantdegeneration innebär också en ökning av repulsionen bland fermioniska partiklar, som ändå brukar vara ensamvargar, vilket resulterar i färre kemiska reaktioner och en mer stabil gas. Detta är det första experimentet där forskare har observerat kollektiva kvanteffekter som direkt påverkar kemin hos enskilda molekyler, sa du.

"Detta är den första kvantdegenererade gasen av stabila molekyler i bulk, och de kemiska reaktionerna undertrycks – ett resultat som ingen hade förutspått, " sa du.

Molekylerna som skapas i detta experiment kallas polära molekyler eftersom de har en positiv elektrisk laddning vid rubidiumatomen och en negativ laddning vid kaliumatomen. Deras interaktioner varierar beroende på riktning och kan styras med elektriska fält. Polära molekyler erbjuder därför mer avstämbara, starkare interaktioner och ytterligare kontroll-"rattar" jämfört med neutrala partiklar.

Dessa nya ultralåga temperaturer kommer att göra det möjligt för forskare att jämföra kemiska reaktioner i kvantum kontra klassiska miljöer och studera hur elektriska fält påverkar de polära interaktionerna. Eventuella praktiska fördelar kan inkludera nya kemiska processer, nya metoder för kvantberäkning med laddade molekyler som kvantbitar, och nya precisionsmätverktyg som molekylära klockor.

Processen för att göra molekylerna börjar med en gasblandning av mycket kalla kalium- och rubidiumatomer som begränsas av en laserstråle. Genom att svepa ett exakt avstämt magnetfält över atomerna, forskare skapar stora, svagt bundna molekyler som innehåller en atom av varje typ. Denna teknik var banbrytande av Yes kollega, den sena Deborah Jin, i hennes demonstration 2003 av världens första Fermi-kondensat.

För att omvandla dessa relativt fluffiga molekyler till tätt bundna molekyler utan att värma gasen, forskare använder två lasrar som arbetar med olika frekvenser - var och en resonerar med olika energihopp i molekylerna - för att omvandla bindningsenergin till ljus istället för värme. Molekylerna absorberar nära-infrarött laserljus och frigör rött ljus. I processen, 90 procent av molekylerna omvandlas genom ett mellanenergitillstånd, till den lägsta och mest stabila energinivån.